(57)【要約】  バックライトシステム（３０）は、ＲＧＢ光を発する発光部（３１）と結像光学系とを有し、結像光学系を通過した光を液晶パネル（３７）に照射させる。液晶パネル（３７）はピッチ（Ｐ）で配列された複数の画素を含み、各画素は色ごとに対応する複数の絵素を含む。結像光学系は、レンズ（１Ａ）がピッチ（Ｐ２）で複数配列されてなる第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１）と、レンズ（２Ａ）が所定ピッチで複数配列されてなる第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２）とを有する。レンズ（１Ａ）は、発光部（３１）の出射光をＲＧＢ別に分離するとともに絵素の配列ピッチと同じピッチで集光させ、レンズ（２Ａ）は、絵素と１対１で設けられ、レンズ（１Ａ）を通過した光が集光する位置とレンズ（２Ａ）の焦点とが互いに一致するように配置され、レンズ（１Ａ）を通過した光を、前記液晶パネルの表示面に対してほぼ垂直となる方向に偏向させて液晶パネル（３７）に照射させる。これにより、高い光利用効率を満足しつつ、視野角特性および解像感をさらに向上させることによって表示品位を高める。
2011135755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相異なる主波長の光を発する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
前記結像光学系は、第１のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第１のレンズアレイと、第２のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第２のレンズアレイとを有し、
前記第１のレンズは、前記発光部から出射された光を色別に分離するとともに、分離した光を前記絵素の配列ピッチと同じピッチで集光させ、
前記第２のレンズは、前記絵素と１対１で設けられ、前記第１のレンズを通過した光が集光する位置と、当該第２のレンズの焦点とが互いに一致するように配置されるとともに、前記第１のレンズを通過した光を、前記液晶パネルの表示面に対してほぼ垂直な方向に偏向させて、前記液晶パネルに照射させることを特徴とするバックライトシステム。
【請求項２】
画素の配列ピッチをＰ、前記結像光学系の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、
前記発光部の配列ピッチＰ１は、
Ｐ１＝ｎ×Ｐ
で表され、前記第１のレンズの配列ピッチＰ２は、
Ｐ２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
で表されることを特徴とする請求項１に記載のバックライトシステム。
【請求項３】
前記結像光学系が、フレネルレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載のバックライトシステム。
【請求項４】
前記結像光学系の第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するレンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
【請求項５】
前記結像光学系の第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが、フライアイレンズもしくはレンティキュラレンズ、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項４に記載のバックライトシステム。
【請求項６】
前記発光部が、ＬＥＤ光源、レーザー光源および有機ＥＬ光源のうちのいずれか１つの光源、または、該光源と導光体とを備えた発光装置、により構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
【請求項７】
前記発光部および前記結像光学系を複数のブロックに分け、各ブロック内の前記発光部から出射された光がいずれも同ブロック内の前記結像光学系にほぼ等しく入射するように、該発光部内の光源の光軸を回転させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバックライトシステム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のバックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置したことを特徴とする複合バックライトシステム。
【請求項９】
複数並列に配置した前記バックライトユニットの１ユニットごと、または複数ユニットごとに、前記発光部の光量を制御する手段を有することを特徴とする請求項８に記載の複合バックライトシステム。
【請求項１０】
前記バックライトユニットにおける結像光学系のうちの少なくとも一つは、複数ユニット分が一体化されてなることを特徴とする請求項８または９に記載の複合バックライトシステム。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のバックライトシステム、あるいは、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の複合バックライトシステムを有する液晶表示装置であって、
前記第２のレンズアレイにおける光の出射側において、
液晶層と光の入射側および出射側に配され該液晶層を狭持するガラス基板とを含む液晶素子と、該液晶素子を駆動する駆動素子と、該液晶素子の入射側のガラス基板上に配される偏光子と、該液晶素子の出射側のガラス基板上に配される検光子と、該検光子の出射面上に配される拡散素子と、
を有することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１２】
前記液晶層から光の入射側への部品積層順を、“液晶層／偏光子／入射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１３】
前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／出射側のガラス基板／拡散素子”としたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の液晶表示装置。
【請求項１４】
前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／拡散素子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の液晶表示装置。
【請求項１５】
さらに、前記駆動素子と前記出射側のガラス基板との間に、偏光保持機能を有する拡散素子を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の液晶表示装置。
【請求項１６】
前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子／出射側のガラス基板”としたことを特徴とする請求項１５に記載の液晶表示装置。
【請求項１７】
前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／出射側のガラス基板／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子”としたことを特徴とする請求項１５に記載の液晶表示装置。
【請求項１８】
前記拡散素子が、さらに、入射角無依存拡散特性を有することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【請求項１９】
さらに、前記出射側のガラス基板の入射面上にカラーフィルタ層を有することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【請求項２０】
前記偏光子が、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項２１】
前記液晶素子と前記駆動素子とが積層位置を互換されたことを特徴とする請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックライトシステムおよびこれを用いた液晶表示装置に関し、詳しくは、透過型の液晶表示素子の画素を色分けした絵素にその背面から対応色の色光を集光させるバックライトシステム、および該バックライトシステムと前記液晶表示素子とでフルカラー表示を行う液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フルカラー表示を行う液晶表示装置は、従来、透過型液晶表示素子の画素を３つの絵素に分割し、これら３つの絵素に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタをそれぞれ貼り付け、これにバックライトから白色光を照射し、白色光が絵素を透過する際の透過率を絵素の液晶セルへの印加電圧信号により制御することで、フルカラー表示を実現している。【０００３】
しかし、カラーフィルタはＲＧＢ毎に対応する波長帯の光を透過し、それ以外の光は吸収するため、カラーフィルタを用いた液晶表示装置では、光の約２／３が損失してしまい、光利用効率が低いという問題がある。【０００４】
そこで、光利用効率の向上を実現する技術が、例えば特許文献１に提案されている。図１２は、特許文献１に記載の画像表示装置の概略構成を示す断面図である。画像表示装置２１は、バックライト光源２、回折格子３、第１のマイクロレンズアレイ４、液晶パネル５、第２のマイクロレンズアレイ２２及び拡散板６が順次配置されている。バックライト光源２からはほぼ平行な白色光Ｗが出射される。この平行光は導光板７の光出射面１２と小さな角度をなしており、この平行光が回折格子３に入射すると、回折格子３により回折される。回折格子３により回折された回折光のうち、１次回折光が回折格子３とほぼ垂直な方向に出射される。このとき、波長の異なる光は異なる回折角を持つので、１次回折光は、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂに分離される。【０００５】
第１のマイクロレンズアレイ４は、液晶パネル５の一組の画素１４、すなわち隣接する３つの画素に対して１つのマイクロレンズ４ａが対応するように配置されている。従って、異なる光軸方向で回折格子３から出射された赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、それぞれ、マイクロレンズ４ａによって、一組の画素１４のうち互いに異なる画素１４に集光される。よって、これらの画素１４のオン／オフを制御することによって、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを独立して透過もしくは遮断することができ、画像表示装置２１をカラー化することができる。【０００６】
さらに、第２のマイクロレンズアレイ２２は、各マイクロレンズ２２ａが第１のマイクロレンズアレイ４のマイクロレンズ４ａに対応するように配置されており、第１のマイクロレンズアレイ４の主平面と第２のマイクロレンズアレイ２２の主平面との距離Ｌが、第１のマイクロレンズアレイ４の焦点と第２のマイクロレンズアレイ２２の焦点との距離に等しくなっている。したがって、液晶パネル５の画素１４を通過した赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは互いに光軸方向が異なっているが、第２のマイクロレンズアレイ２２のマイクロレンズ２２ａを通過することによって、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂの光軸が平行に揃えられる。【０００７】
これにより、第２のマイクロレンズアレイ２２を通過した赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂが拡散板６により拡散されると、図１２に示すように、それぞれの拡散光の指向特性ＴＲ，ＴＧ，ＴＢが等しくなる。よって、観察者が異なる方向から画像表示装置２１を見たときに生じる色ずれを抑えることができ、光利用効率および視野角特性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特許公報「特許第４０５５２３７号公報（２００７年１２月２１日登録）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の画像表示装置２１では、第２のマイクロレンズアレイ２２のマイクロレンズ２２ａを通過することによって、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの光軸を平行に揃えることはできるが、各色光において光軸以外の光線を平行に揃えることはできない。そのため、光軸以外の光線についての各色光の指向特性は、依然として互いに異なる角度を有するため、色ずれが生じてしまう。また、各色光が拡散層に到達する際、水平方向において互いに重なり合うことによって、観察者が表示画面を見た場合の解像感が低下してしまう。よって、特許文献１の画像表示装置２１では、視野角特性および解像感を十分に向上させることができない。【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い光利用効率を満足しつつ、視野角特性および解像感をさらに向上させることによって表示品位を高めることができるバックライトシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のバックライトシステムは、前記課題を解決すために、
相異なる主波長の光を発する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
前記結像光学系は、第１のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第１のレンズアレイと、第２のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第２のレンズアレイとを有し、
前記第１のレンズは、前記発光部から出射された光を色別に分離するとともに、分離した光を前記絵素の配列ピッチと同じピッチで集光させ、
前記第２のレンズは、前記絵素と１対１で設けられ、前記第１のレンズを通過した光が集光する位置と、当該第２のレンズの焦点とが互いに一致するように配置されるとともに、前記第１のレンズを通過した光を、前記液晶パネルの表示面に対してほぼ垂直な方向に偏向させて、前記液晶パネルに照射させることを特徴とする。【００１２】
上記の構成によれば、例えばＲＧＢ光源（ＬＥＤ）からなる発光部から出射したそれぞれの光が、第２のレンズアレイを通過した後、空間的に互いに異なる位置で、液晶パネルの表示面に対してほぼ垂直方向の光、すなわち、互いにほぼ平行な方向の光（平行光）に変換されて液晶パネルを照射することになる。そして、液晶パネルのＲＧＢ各絵素と第２のレンズアレイの各レンズを１対１に対応させることによって、ＲＧＢ各光源から出射した光を、ＲＧＢ各絵素内に照射させることが可能となる。【００１３】
これにより、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を行うことが可能となり、カラーフィルタに吸収される分だけ光利用効率を向上させることができる。また、このとき、ほぼ平行光を液晶パネルに照射するため、絵素間に存在するＢＭ（ブラックマトリクス）に遮光される割合を低下させることができ、その分、光利用効率を向上させることができる。また、第２のレンズアレイを通過した後、ほぼ平行光が液晶パネルを照射するため、解像感を向上させることができる。【００１４】
さらに、第２のレンズアレイを通過した光はほぼ平行光の状態で液晶パネルを通過した後に拡散板に到達するため、ＲＧＢ各色の拡散光の角度分布が等しくなる。このため、観察者が異なる方向から液晶表示装置を見ても、方向によって異なった色に見えたりすることがなく、視野角特性および色再現性が良好となる。また、非常に個体差の大きなＬＥＤ等の光源を用いた場合でも、光源光の個体差バラツキを平均化させることにより輝度ムラ・色ムラを低減させることができる。【００１５】
本バックライトシステムでは、
画素の配列ピッチをＰ、前記結像光学系の結像倍率を（１／ｎ）としたとき、
前記発光部の配列ピッチＰ１は、
Ｐ１＝ｎ×Ｐ
で表され、前記第１のレンズの配列ピッチＰ２は、
Ｐ２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
で表される構成とすることもできる。【００１６】
上記の構成によれば、第２のレンズアレイの焦点位置において、その絵素の色に対応する色光を発する複数の光源からの光による結像がオーバーラップし合うので、エリア間の境界をなくし、空間的均一化を実現することができる。よって、表示画面内のエリア間の輝度ムラ・色ムラを有効に低減し、より高品位の表示が可能となる（図２参照）。【００１７】
本バックライトシステムでは、前記結像光学系が、フレネルレンズを含む構成とすることもできる。【００１８】
上記の構成において、フレネルレンズを発光部と第１のレンズアレイとの間に配置し、フレネルレンズの焦点位置に例えばＧ光源を配置し、その両側にＢ光源およびＲ光源を配置した場合、Ｇ光源がフレネルレンズの焦点位置にあるため、Ｇ光源から出射した光は、フレネルレンズを通過した後、平行光に偏向される。また、Ｒ光源およびＢ光源から出射した光は、フレネルレンズを通過した後、Ｇ光源光に対して、それぞれ異なる角度方向にほぼ平行に偏向される。ＲＧＢ光源から出射した光は、第２のレンズアレイの焦点位置において、その絵素の色に対応する色光を発する光源からの光がほぼ一点に結像される。これにより、第２のレンズアレイを通過後、より高い平行度の光が液晶パネルを照射するため、解像感をさらに向上させることができる。【００１９】
本バックライトシステムでは、前記結像光学系の第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するレンズを含む構成とすることもできる。【００２０】
ここで、レンズ表面形状により光路を偏向する場合には、レンズ表面における界面での屈折率差を利用してスネルの法則に従い偏向する。一方、屈折率分布により光路を偏向する場合には、レンズ中の屈折率に分布を持たせることによって光を偏向する。これは、レンズの中心部と周辺部との屈折率を変化させることによって、レンズ内部に屈折率の勾配をつけ、この屈折率の勾配によって光を偏向していくというものである。また屈折率分布により光路を偏向する場合には、表面形状は平坦となっているため、レンズアレイ上に直接偏光子や光学フィルム等を貼り合せすることが可能となり、それらとの空間保持が容易となる。【００２１】
本バックライトシステムでは、前記結像光学系の第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが、フライアイレンズもしくはレンティキュラレンズ、またはこれらの組み合わせを含む構成とすることもできる。【００２２】
第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイの具体例として、例えば、マイクロレンズを直交二方向に配列したフライアイレンズ、またはマイクロシリンドリカルレンズをその長手方向に直行する一方向に配列したレンティキュラレンズ、またはこれらを組み合わせたものが挙げられる。【００２３】
第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが複数のレンズアレイで形成される場合、１枚のレンズアレイの場合に比べて表面形状の曲率を抑えることが可能となる。また、曲率を抑えることにより、迷光の発生を抑制することができる。【００２４】
本バックライトシステムでは、前記発光部が、ＬＥＤ光源、レーザー光源および有機ＥＬ光源のうちのいずれか１つの光源、または、該光源と導光体とを備えた発光装置、により構成されていてもよい。【００２５】
本バックライトシステムでは、前記発光部および前記結像光学系を複数のブロックに分け、各ブロック内の前記発光部から出射された光がいずれも同ブロック内の前記結像光学系にほぼ等しく入射するように、該発光部内の光源の光軸を回転させた構成とすることもできる。【００２６】
上記の構成によれば、例えば画面全体の中のかなりの広さの一領域と残りの領域とで輝度の差が大きい画像を表示するような場合、画面全体が複数のブロックに分けられている場合に、輝度や色の制御が容易になる。【００２７】
本発明の複合バックライトシステムは、前記バックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置したことを特徴とする。【００２８】
ここで、１つのバックライトシステムが照射する領域が広くなると、これに比例して発光部からの第１のレンズアレイまでの厚さも厚くなる。この点、上記の構成によれば、１つのバックライトシステムを１つのバックライトユニットとし、該バックライトユニットを複数並列に配置されるため、１つのバックライトシステムが照射する領域を小さくし、１つの液晶パネルを複数のバックライトシステムで照射することにより、バックライトシステムの厚さを抑えることができる。【００２９】
本複合バックライトシステムでは、複数並列に配置した前記バックライトユニットの１ユニットごと、または複数ユニットごとに、前記発光部の光量を制御する手段を有する構成とすることもできる。【００３０】
上記の構成によれば、例えば夜空に浮かぶ月のような一部が明るく、その他の部分は暗い領域を表示する場合に、暗い領域部に該当するバックライトユニットの光量を低くすることにより低消費電力化に大きな寄与を及ぼすことが可能となる。【００３１】
本複合バックライトシステムでは、前記バックライトユニットにおける結像光学系のうちの少なくとも一つは、複数ユニット分が一体化されてなる構成とすることもできる。【００３２】
これにより、製造コストの低減、および位置合わせ工程の節減を図ることができる。【００３３】
本発明の液晶表示装置は、
前記バックライトシステムあるいは複合バックライトシステムを有する液晶表示装置であって、
前記第２のレンズアレイにおける光の出射側において、
液晶層と光の入射側および出射側に配され該液晶層を狭持するガラス基板とを含む液晶素子と、該液晶素子を駆動する駆動素子と、該液晶素子の入射側のガラス基板上に配される偏光子と、該液晶素子の出射側のガラス基板上に配される検光子と、該検光子の出射面上に配される拡散素子と、
を有することを特徴とする。【００３４】
上記の構成によれば、上記記載のバックライトシステムを有するため、高い光利用効率を満足しつつ、視野角特性および解像感をさらに向上させることができるため、表示品位を高めることができる。【００３５】
また、本液晶表示装置では、特に、該検光子の出射面上に拡散素子が配されているため、液晶表示装置の画面を斜め方向から観察したときに、光があまり届かず画面内の表示が見えづらくなる、または、光が全く届かず画面内の表示が全然見えなくなるという問題が生じることもない。【００３６】
本液晶表示装置では、前記液晶層から光の入射側への部品積層順を、“液晶層／偏光子／入射側のガラス基板”とすることもできる。【００３７】
偏光子を液晶層と入射側のガラス基板との間に配置することにより、入射側のガラス基板に結像光学系の第２のレンズアレイを直接形成することが可能となり、第２のレンズアレイと液晶層との位置合わせを高い精度により保持することが可能となる。また、偏光子を入射側のガラス基板と液晶層との間に配置することにより、結像光学系によって集光した光を高い偏光性を保持したまま液晶層に通光させることができるため、表示品位の低下を防ぐ効果もある。【００３８】
本液晶表示装置では、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／出射側のガラス基板／拡散素子”とすることもできる。【００３９】
検光子を出射側のガラス基板と液晶層との間に配置することにより、液晶パネル製造時に検光子を内蔵させることが可能となるため、液晶パネルと検光子との貼り合わせプロセスを省略することができる。【００４０】
本液晶表示装置では、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／拡散素子／出射側のガラス基板”とすることもできる。【００４１】
例えば、液晶層から検光子までの間に出射側のガラス基板が介在する場合、このガラス基板の厚さによっては隣接する絵素を通過した光が検光子に届いた際、互いに重なり合う場合が生じ、この重なり合った光が拡散板で拡散されて、表示品位の低下を招くことが懸念される。【００４２】
この点、上記の構成によれば、液晶層から出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／検光子／拡散板／出射側のガラス基板”としているため、上記のような表示品位の低下を防ぐことができる。【００４３】
本液晶表示装置では、さらに、前記駆動素子と前記出射側のガラス基板との間に、偏光保持機能を有する拡散素子を備える構成とすることもできる。【００４４】
本液晶表示装置では、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子／出射側のガラス基板”とすることもできる。【００４５】
本液晶表示装置では、前記液晶層から光の出射側への部品積層順を、“液晶層／駆動素子／出射側のガラス基板／偏光保持機能を有する拡散素子／検光子”とすることもできる。【００４６】
本液晶表示装置では、前記拡散素子が、さらに、入射角無依存拡散特性を有する構成とすることもできる。【００４７】
上記の構成では、拡散素子が、入射角無依存拡散特性（拡散素子への入射光の入射角によらず拡散素子を透過する際の拡散強度分布が一定となる性質）を有することにより、画素を色別に空間分割する絵素の各々を通過した光が同じ拡散特性となるため、表示品位の向上を図ることができる。【００４８】
本液晶表示装置では、さらに、前記出射側のガラス基板の入射面上にカラーフィルタ層を有する構成とすることもできる。【００４９】
一般に、液晶表示装置は、使用する各光学部品を製造し、該光学部品を組み立てることによって製造される。しかし、製造上のバラツキによって、設計どおりに光学部品を製造できない、該光学部品の組み立てができない、製造コストを考えれば多少設計から外れた形状のものを製造する必要がある、等の問題によって液晶層の絵素に対応する光だけを集光することが困難になるケースも考えられる。その場合、表示品位の低下を招くことにもなりかねない。【００５０】
この点、上記の構成よれば、前記出射側のガラス基板の入射面上にカラーフィルタ層を有するため、上記のような表示品位の低下を防ぐことができる。【００５１】
本液晶表示装置では、前記偏光子が、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間に配置されている構成とすることもできる。【００５２】
上記の構成によれば、第２のレンズアレイを、液晶素子との位置合わせ工程を含む液晶素子製造プロセスの中で製造でき、結像光学系を液晶素子とは別個に製造した場合には必要になる製造後の液晶表示装置（液晶パネル）との位置合わせが不要になるため、製造工程を削減することができる。また、第１のレンズアレイを偏光子の保護フィルム上に直接製造することが可能になるため、光学部品点数の削減が可能となる。【００５３】
本液晶表示装置では、前記液晶素子と前記駆動素子とが積層位置を互換された構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００５４】
以上のように、本発明のバックライトシステムでは、前記結像光学系は、第１のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第１のレンズアレイと、第２のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第２のレンズアレイとを有し、前記第１のレンズは、前記発光部から出射された光を色別に分離するとともに、分離した光を絵素の配列ピッチと同じピッチで集光させ、前記第２のレンズは、絵素と１対１で設けられ、前記第１のレンズを通過した光が集光する位置と、当該第２のレンズの焦点とが互いに一致するように配置されるとともに、前記第１のレンズを通過した光を、ほぼ平行な方向に偏向させて前記液晶パネルに照射させる構成である。【００５５】
これにより、高い光利用効率を満足しつつ、視野角特性および解像感をさらに向上させることによって表示品位を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本実施の形態１における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施の形態１におけるバックライトシステムの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明のＭＬＡ１およびＭＬＡ２の配置関係を説明するための図である。
【図４】本発明の液晶表示装置における発光部の他の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の液晶表示装置における発光部の他の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の液晶表示装置における発光部の他の構成を示す断面図である。
【図７】本実施の形態２における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】本実施の形態２におけるバックライトシステムの概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明の結像光学系に含まれるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）の一構成例を示す図である。
【図１０】本発明のバックライトシステムにおいて、発光部の光源光軸を回転させた状態を示す断面図である。
【図１１】本発明のバックライトユニットを複数並列に配置した状態（複合バックライトシステム）を示す断面図である。
【図１２】従来の画像表示装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
〔実施の形態１〕
図１は、本実施の形態１における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本液晶表示装置は、液晶パネルおよびバックライトシステムを含んで構成される。バックライトシステムは、相異なる主波長の光を発する発光部と、発光部から出射された光を集光させる結像光学系とを含んで構成されており、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させる。
【００５８】
本液晶表示装置の具体的な構成を説明すると、図１に示すように、液晶表示装置１０は、発光部３１と、本発明の第１のレンズアレイに相当する第１のマイクロレンズアレイ（以下、必要に応じて「マイクロレンズアレイ」を「ＭＬＡ」と称す）（ＭＬＡ１）と、本発明の第２のレンズアレイに相当する第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２）と、偏光子３２、光の入射側に配されるガラス基板３３（以下、「入射側ガラス基板」ともいう）、ＴＦＴ駆動部（駆動素子）（図示せず）、液晶層３４、光の出射側に配されるガラス基板３５（以下、「出射側ガラス基板」ともいう）および検光子３６からなる液晶パネル３７と、拡散板３８（拡散素子）と、がこの順に積層配置されて構成されている。
【００５９】
発光部３１は、相異なる主波長の光を発する複数の光源、例えばＬＥＤ光源（発光ダイオード）により構成されている。図１では、Ｒ（赤）−ＬＥＤ光源（Ｒ光源）、Ｇ（緑）−ＬＥＤ光源（Ｇ光源）、Ｂ（青）−ＬＥＤ光源（Ｂ光源）が、紙面右側から左側へこの順に並んで配置されている。なお、光源の色種数は４色以上としてもよく、光源の配列順は、ＲＧＢ順に限定されない。
【００６０】
ＭＬＡ１は、同一形状のレンズ１Ａ（本発明の第１のマイクロレンズに相当）が所定のピッチで複数配列されて構成されており、液晶パネル３７と所定の距離をとって対向配置されている。また、各レンズ１Ａは、液晶パネル３７における各画素の配列ピッチとほぼ同じピッチで配列されている（詳細な間隔については後述する）。なお、各画素は、各色（Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））に対応する３つの絵素（Ｒ絵素、Ｇ絵素、Ｂ絵素）により構成されている。
【００６１】
ここで、ＭＬＡ１の１つのレンズ１Ａに注目した場合、ＲＧＢ光源それぞれから出射した光は、異なる主光線角度でレンズ１Ａに入射する。異なる主光線角度で入射した光は、空間的に異なる位置に集光するため、ＲＧＢ光源それぞれから出射した光は、レンズ１Ａを通過した後、それぞれ空間的に異なる位置に集光することになる。
【００６２】
ＭＬＡ２は、同一形状のレンズ２Ａ（本発明の第２のマイクロレンズに相当）が所定のピッチで複数配列されて構成されており、ＭＬＡ１と液晶パネル３７との間で、液晶パネル３７と所定の距離をとって対向配置されている。また、レンズ２Ａは、絵素と１対１で設けられ、レンズ１Ａを通過した光が集光する位置と、レンズ２Ａの焦点とが互いに一致するように配置されている。
【００６３】
ここで、レンズの基本原理として、レンズの焦点を通過した光がレンズ面を通過した場合、各光線角度が互いに平行となるように変換される。そのため、ＭＬＡ２のレンズ２Ａを通過した光は、平行光に変換されることになる。実際には、光源は理想的な点光源ではなく、有限の物体から発光しているため、ＭＬＡ１を通過した集光される光がＭＬＡ２の焦点の１点だけに集光することはなく、領域を有する点像として集光することになるため、ＭＬＡ２を通過した光はほぼ平行光に変換されることになる。
【００６４】
また、ＭＬＡ２のレンズ２Ａは、液晶パネル３７のＲＧＢ絵素と同じピッチで配置されているため、ＭＬＡ２にて平行光に変換されたＲＧＢ各光は、それぞれの色に対応する各絵素を通過する。すなわち、Ｒ光はＲ絵素を通過し、Ｇ光はＧ絵素を通過し、Ｂ光はＢ絵素を通過する。よって、各絵素のオン、オフを制御することによって、ＲＧＢ光を独立して透過もしくは遮断することができるため、カラーフィルタを用いることなくカラー表示を行うことができる。
【００６５】
また、ＭＬＡ２によって、ＲＧＢ各光がほぼ平行光に変換されるため、各光が拡散板により拡散され、それぞれの拡散光の角度特性がほぼ等しくなる。そのため、観察者が異なる方向から液晶表示装置を見ても、見る方向によって異なった色に見えたりすることがなく、色再現性が良好となる。また、ＲＧＢ各光が、拡散板に到達する際、水平方向において互いに重なり合うことを極力抑制することが可能となるため、観察者が液晶表示装置を見た場合の解像感が良好となる。
【００６６】
なお、実際の光源は製造プロセスに起因する個体差バラツキが非常に大きいため、輝度ムラや色ムラによる表示品位の低下を招いてしまうという問題がある。この点、本実施の形態１では、上記のように、複数の同色光源から出射された光をＭＬＡ１によってＭＬＡ２の各焦点に集光させ、かつ、ほぼ平行光（液晶パネル３７の表示面に対してほぼ垂直な光）を液晶パネル３７に照射させる構成であるため、各色の視野角特性の均一化と解像感の向上とを実現できるとともに、光源光の個体差バラツキを平均化させることにより輝度ムラ・色ムラを低減させることをできる。よって、より実現性の高い液晶表示装置を提供することができる。
【００６７】
次に、光源光の個体差バラツキを平均化させる具体的な構成について図１を用いて説明する。図１に示すように、発光部３１（ＬＥＤ光源アレイ）からＭＬＡ１までの距離をａ、ＭＬＡ１からＭＬＡ２までの距離をｂ、液晶パネル３７の画素ピッチをＰとすると、ＭＬＡ１のレンズ１Ａにおける縮小倍率（１／ｎ）は、
ｎ＝ａ／ｂ
となり、
光源アレイの同色光源の配列ピッチＰ１を、
Ｐ１＝ｎ×Ｐ
とし、ＭＬＡ１のレンズ１Ａの配列ピッチＰ２を、
Ｐ２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
とし、ＭＬＡ２の同色に対応するレンズ２Ａの配列ピッチＰ３を、
Ｐ３＝Ｐ
とする。
【００６８】
図２は、本実施の形態１におけるバックライトシステム３０の概略構成を示す断面図である。発光部３１は、上述のように、相異なる色光を発する複数の光源としてＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を用い、これらを図２の紙面右側から左側へ順次ＲＧＢの色順に配列している。また、結像光学系として、結像倍率（１／ｎ）のＭＬＡ１を用い、光源アレイの同色光源の配列ピッチＰ１を、
Ｐ１＝ｎ×Ｐ
とし、かつ、ＭＬＡ１におけるレンズ１ＡのレンズピッチＰ２を、
Ｐ２＝（ｎ／（ｎ＋１））×Ｐ
とする。
【００６９】
これにより、例えば図２のように、ＭＬＡ１の焦点距離ｆに応じて、ＭＬＡ１らＭＬＡ２までの距離ｂを、
ｂ＝（（ｎ＋１）／ｎ）×ｆ
とし、かつ、光源１からＭＬＡ１に至る主光線経路長ａを、
ａ＝ｎ×ｂ
とすれば、ＲＧＢの各光源からの光をそれぞれ対応するＭＬＡ２の焦点位置に集光させることができる。
【００７０】
上記の構成によれば、図２に示すように、各レンズの焦点位置において、その絵素の色に対応する色光を発する複数の光源からの光による結像がオーバーラップし合うので、エリア間の境界をなくし、空間的均一化を実現することができる。よって、表示画面内のエリア間の輝度ムラ・色ムラを有効に低減し、より高品位の表示が可能となる。
【００７１】
なお、図２では、Ｒ光源からＲ絵素への光（Ｒ光）の経路のみを図示し、Ｇ光、Ｂ光の経路は省略している。
【００７２】
ここで、これらＲＧＢ各光源からの光をそれぞれ対応するＭＬＡ２の焦点位置に集光させることと、複数の同色光源からの光を同一のＭＬＡ２の焦点位置にオーバーラップさせることと、を両立させる光学系の原理について、図３を用いて数学的に説明する。なお、図３では、Ｒ光源からＲ絵素に対応したＭＬＡ２への光（Ｒ光）のうち、ＭＬＡ１の中心を通る主光線の経路のみを図示し、Ｇ光、Ｂ光の経路は省略している。また、ＭＬＡ界面での屈折率差による屈折現象も省略している。
【００７３】
図３において、隣り合う２つのＲ光源の位置をそれぞれＬ１、Ｌ２と仮定し、ＭＬＡ１のレンズ中心をＭ１、Ｍ２と仮定し、隣り合う２つのＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置をＲ１、Ｒ２と仮定する。
【００７４】
まず、１つのＲ光源からの光をそれぞれＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置Ｒ１、Ｒ２に集光させるためには、図３より△Ｌ１Ｒ１Ｒ２と△Ｌ１Ｍ１Ｍ２が互いに相似関係にあることが必要である。これを満たすには次式が成り立たねばならない。
線Ｍ１Ｍ２／線Ｌ１Ｍ１＝線Ｒ１Ｒ２／線Ｌ１Ｒ１
ＭＬＡ１のレンズピッチＰ２は線Ｍ１Ｍ２に対応しているので、上式より次の関係式が導出されることになる。
線Ｍ１Ｍ２＝線Ｌ１Ｍ１×線Ｒ１Ｒ２／線Ｌ１Ｒ１
ここで、線Ｌ１Ｍ１＝ａ＝ｎ×ｂ、線Ｒ１Ｒ２＝Ｐ、線Ｌ１Ｒ１＝ａ＋ｂ＝（ｎ＋１）×ｂ、であるので、線Ｍ１Ｍ２は、
ｎ×Ｐ／（ｎ＋１）
と計算される。よって、ＭＬＡ１のレンズピッチＰ２である線Ｍ１Ｍ２が、ｎ×Ｐ／（ｎ＋１）である場合、Ｒ光源からの光をそれぞれＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置に集光させることができる。
【００７５】
次に、複数の同色光源からの光（ここでは２つのＲ光源からの光）を１つのＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置に集光させるためには、図３より△Ｌ１Ｌ２Ｒ１と△Ｍ１Ｍ２Ｒ１が互いに相似関係にあることが必要である。これを満たすには、次式が成り立たねばならない。
線Ｌ１Ｌ２／線Ｌ１Ｒ１＝線Ｍ１Ｍ２／線Ｍ１Ｒ１
光源アレイの同色光源間ピッチＰ１は、線Ｌ１Ｌ２に対応しているので、上式より次の関係式が導出されることになる。
線Ｌ１Ｌ２＝線Ｌ１Ｒ１×線Ｍ１Ｍ２／線Ｍ１Ｒ１
ここで、線Ｌ１Ｒ１＝ａ＋ｂ＝（ｎ＋１）×ｂ、線Ｍ１Ｒ１＝ｂ
であり、先に導出した線Ｍ１Ｍ２＝ｎ×Ｐ／（ｎ＋１）の関係式を適用すると、
線Ｌ１Ｌ２＝ｎ×Ｐ
と計算される。よって、同色光源間ピッチＰ１である線Ｌ１Ｌ２がｎ×Ｐである場合、複数の同色光源からの光（ここでは２つのＲ光源からの光）を１つのＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置に集光させることができる。
【００７６】
これら２つの結果より、同色光源間ピッチＰ１をｎ×Ｐとし、かつ、ＭＬＡ１のレンズピッチＰ２をｎ×Ｐ／（ｎ＋１）とすることにより、１つのＲ光源からの光をそれぞれＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置に集光させ、それと同時に、複数のＲ光源からの光を１つのＲ絵素に対応したＭＬＡ２の焦点位置にオーバーラップし合って集光させることができることがわかる。このことは、Ｒに代えてＧまたはＢとした場合にも同様である。また、液晶パネルの画素ピッチＰと、ＭＬＡ２の同色に対応するレンズピッチＰ３とは等しいため、上記計算内のＰをＰ３に変換しても同様の結果を得ることができる。
【００７７】
本実施の形態１における液晶表示装置では、ＲＧＢ各光源（ＬＥＤ）から出射した光が、それぞれ、ＭＬＡ２を通過した後、空間的に互いに異なる位置でほぼ平行光（液晶パネル３７の表示面に対してほぼ垂直な光）に変換されて液晶パネルを照射することになる。そして、液晶パネルのＲＧＢ各絵素とＭＬＡ２の各レンズを１対１に対応させることによって、ＲＧＢ各光源から出射した光を液晶パネルのＲＧＢ各絵素内に照射させることが可能となる。
【００７８】
これにより、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を行うことが可能となり、カラーフィルタに吸収される分だけ光利用効率を向上させることができる。また、このとき、ほぼ平行光を液晶パネルに照射するため、絵素間に存在するＢＭ（ブラックマトリクス）に遮光される割合を低下させることができ、その分、光利用効率を向上させることができる。また、ＭＬＡ２を通過した後、ほぼ平行光が液晶パネルを照射するため、解像感を向上させることができる。
【００７９】
さらに、ＭＬＡ２を通過した光はほぼ平行光の状態で液晶パネルを通過した後に拡散板に到達するため、ＲＧＢ各色の拡散光の角度分布が等しくなる。このため、観察者が異なる方向から液晶表示装置を見ても、方向によって異なった色に見えたりすることがなく、色再現性が良好となる。また、非常に個体差の大きなＬＥＤ等の光源を用いた場合でも、光源光の個体差バラツキを平均化させることにより輝度ムラ・色ムラを低減させることができる。
【００８０】
本実施の形態１では、図１に示すバックライトシステム３０を備えた液晶表示装置の一例を示している。ここで、本バックライトシステム３０では、ＭＬＡ２における入射側ガラス基板３３と出射側ガラス基板３５と両ガラス基板に狭持される液晶層３４とで構成される液晶素子と、液晶素子と出射側ガラス基板３５との間に配され液晶素子を駆動する駆動素子（ＴＦＴ）（図示せず）と、入射側ガラス基板３３の光入射面に配される偏光子３２と、出射側ガラス基板３５の光出射面に配される検光子３６と、検光子３６の光出射面に配される拡散板３８とで構成されている。
【００８１】
ここで、拡散板３８を用いる理由として、本バックライトシステム３０を備えた液晶表示装置１０では、各絵素に各光源からの光が集光されるため、液晶層３４を通過して検光子３６から出射される光は、ある程度正面（液晶パネルの正面方向）に集光された状態となっている。そのため、液晶表示装置１０の画面を、斜め方向から観察すると、光が十分に届かず画面内の表示が見えづらくなる。そこで、この問題を解消するために拡散板３８を配置することが好ましい。
【００８２】
なお、本液晶表示装置１０において、液晶層３４、駆動素子、ガラス基板３３，３５、偏光子３２、検光子３６、拡散板３８の配置関係は、図１の構成に限定されるものではない。他の構成については後述する。
【００８３】
本実施の形態１において重要な点は、図１に示すように、ＲＧＢ各光が、それぞれの色に対応する各絵素を通過する点である。すなわち、Ｒ光はＲ絵素を通過し、Ｇ光はＧ絵素を通過し、Ｂ光はＢ絵素を通過する。この状態で、各絵素に対応する液晶層に、駆動素子を介して電圧を印加して駆動させることにより、理想的にはカラーフィルタ無しでフルカラー表示を行うことが可能となる。
【００８４】
しかし、実際には、製造上のバラツキが生じるため、設計どおりに光学部品を製造および組み立てることができない、また、製造コストを考えれば多少設計から外れた形状のものを製造する必要がある、等の問題がある。そのため、ＲＧＢに対応する各絵素に、対応する光だけを集光させることが困難になるケースも考えられる。この場合、最悪には、表示品位の低下を招くことにもなりかねない。かかる事態を回避するために、本発明では、カラーフィルタ層を設けてもよい。
【００８５】
さらに、表示品位をより高めるためには、表示面側に配置する拡散板の外光に対する後方散乱を抑制する対策を取ることが考えられる。拡散板の機能として、液晶パネル側から照射された光を観察者側に拡散光として出射する一方、観察者側から拡散板に照射された光は液晶パネル側に透過拡散させるとともに、観察者側に反射拡散させる。この反射作用を外光に対する後方散乱と呼ぶ。この反射拡散光を通常の液晶パネルを透過した画像表示とともに観察すると、画像が白く浮いてしまい表示品位の低下を招く。
【００８６】
このような後方散乱を抑制する方法として、拡散板の上下に円偏光板を配置する方法がある。円偏光板とは、偏光子と４分の１波長板とを組み合わせた偏光板のことである。具体的な配置として、発光部３１側から、第１の偏光子、入射側ガラス基板３３、駆動素子、液晶層３４、出射側ガラス基板３５、検光子３６、第１の４分の１波長板、拡散板３８、第２の４分の１波長板、第２の偏光子とする。第１の偏光子と検光子３６との偏光吸収軸は互いに直交しており、検光子３６と第２の偏光子との偏光吸収軸は互いに平行である。また、第１の４分の１波長板と第２の４分の１波長板との遅相軸は互いに直交するように配置され、検光子３６の偏光吸収軸と第１の４分の１波長板の遅相軸とは、４５度傾くように配置する。
【００８７】
本実施の形態１における発光部３１を構成する光源は、相異なる主波長の光を発する複数の光源であることから、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源、レーザー光源、及び有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）光源のうちのいずれか１つの光源、または、該光源と導光体とを備えた発光装置を用いることができる。また、光源の個数は、主波長の種類数と同じである必要はなく、主波長の種類ごとに複数個の光源を用いてもよい。なお、光源の製造工程のバラツキによる個々の製品間の性能差を平均化する観点から、主波長の種類ごとに複数個の光源を用いることが好ましい。なお、ＬＥＤ光源については、砲弾型ＬＥＤのような、ＬＥＤの発光面（発光チップ）の上に集光レンズ（例えば球面アクリルからなる）を付加したタイプや、該集光レンズを用いない例えば実装型ＬＥＤのようなタイプがあるが、これらのいずれを用いてもよい。
【００８８】
よって、発光部３１の光源として、図１に示すＬＥＤ光源の代わりに、図４に示すような、光源と導光体とを備えた発光装置を用いてもよい。該発光装置を用いることにより、光源数の削減という大きなコストダウン効果を奏する。以下、該発光装置について詳細に説明する。
【００８９】
図４に示すように、発光装置３１１は、光源３１２（Ｒ光源、Ｇ光源、Ｂ光源）と、導光体３１３とを備え、光源３１２から出射された光を、導光体３１３内へ導入させ、複数形成された出射部（先端部）から出射させる。この出射部は擬似的な光源と捉えることができる。例えば、図４に示すように、一組のＲＧＢ光源３１２の各光を、それぞれ３つのバックライトユニット（導光体３１３）に分けて導光させている。各バックライトユニット（導光体３１３）によって、Ｒ’光源、Ｇ’光源およびＢ’光源という擬似的な光源３１４が形成され、各光源３１４からの光を、ＭＬＡ１、ＭＬＡ２によって各絵素に集光させることにより、図１のＲＧＢ光源を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００９０】
また、発光部３１の光源として、白色光源を用いてもよい。白色光源を用いる場合には、ＲＧＢ光を、空間的もしくは角度的に異なる状態で出射させることが望ましい。ＲＧＢ光を空間的に異なる状態で出射させる方法として、図５のように、白色光源３２１とＲＧＢ光をそれぞれ反射させるダイクロイックフィルタ３２２を内蔵した導光体３２３を用いる発光装置がある。ダイクロイックフィルタ３２２とは、特定範囲の波長のみを反射させ、残りの波長範囲の光を透過するフィルタである。それぞれＲ、Ｇ、Ｂ光を反射させるダイクロイックフィルタ３２２を空間的に配置することによって、Ｒ、Ｇ、Ｂ光を異なる位置から取り出すことができる。
【００９１】
また、発光部３１の光源として、図６に示すように、白色光源と導光体と回折格子とを用いる方法もある。この方法では、白色光源３３１を導光体３３２に導入させ、面内均一な明るさで導光体３３２からほぼ平行な白色光を取り出す。この平行光が回折格子３３３に入射すると、回折格子３３３により回折される。回折格子３３３により回折された回折光のうち、１次回折光が回折格子３３３とほぼ垂直な方向に出射される。このとき、波長の異なる光は異なる回折角を持つので、１次回折光はＲ、Ｇ、Ｂ光に分離される。
【００９２】
図６の白色光源３３１としては、白色ＬＥＤ（青色ＬＥＤ＋ＹＧ蛍光の組み合わせや青色ＬＥＤ＋ＧＲ蛍光の組み合わせのものなど）、マルチカラーＬＥＤ（１ＬＥＤ内に複数の異なる主波長を発光するダイオードチップが搭載されているＬＥＤ）、白色有機ＥＬ、を用いることが可能である。
【００９３】
また、発光部３１の光源として、線光源の、ＲＧＢ各色を発光するＣＣＦＬまたはＥＥＦＬを用いてもよい。
〔実施の形態２〕
本実施の形態２における液晶表示装置およびこれに組み込まれるバックライトシステムについて、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施の形態１において示した部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、実施の形態１において定義した用語については、特に断らない限り本実施例においてもその定義に則って用いるものとする。
【００９４】
基本的な構成は実施の形態１の図１と同じであるため、以下では主に相違点について説明する。実施の形態１では、バックライトシステムにおけるＭＬＡ１は、液晶パネル３７の画素ピッチに基づく所定の条件式に従って配置されている。この場合、各同色のＬＥＤ光源から出射した光は、それぞれ異なるレンズ１ＡによってＭＬＡ２のレンズ２Ａの焦点に集光される。この構成により、ＬＥＤ光源の個体差による輝度バラツキ、色度バラツキを低減させることが可能となる。
【００９５】
ここで、現在のＬＥＤ製造プロセスでは個体差バラツキが非常に大きいため、実施の形態１の構成が最も好適と言える。ただし、将来的にＬＥＤ光源が非常に均一性良く製造することが可能になった場合、本実施の形態２に示す構成であっても、液晶パネル等に要求される面内均一性を満足することができる。
【００９６】
図７は、本実施の形態２における液晶表示装置２０の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、液晶表示装置２０では、発光部３１（ＬＥＤ光源）とＭＬＡ１との間にフレネルレンズ３９が配置されている。フレネルレンズ３９とは、互いに屈折角の異なる階段状のプリズムが同心円状に形成されてなるものである。また、フレネルレンズ３９の焦点位置にＧ光源が配置され、その両側にＢ光源およびＲ光源が配置されている。Ｇ光源がフレネルレンズ３９の焦点位置にあるため、Ｇ光源から出射した光は、フレネルレンズ３９を通過した後、平行光に偏向される。また、Ｒ光源およびＢ光源から出射したそれぞれ光は、フレネルレンズ３９を通過した後、平行光に偏光されるが、Ｇ光源光に対しては、異なる角度をなす。これにより、ＲＧＢ光源から出射した光は、ＭＬＡ１に対してそれぞれ異なる角度で入射することになる。
【００９７】
ＭＬＡ１に異なる角度で入射した光は、それぞれ空間的に異なる位置に集光することになり、ＲＧＢ光源から出射した光は、それぞれ異なる位置に集光することが可能となる。その後、それぞれのＲＧＢ光は、ＭＬＡ２によってほぼ平行光に偏向され、液晶パネル３７に照射される。この部分の説明は実施の形態１と同様であるため省略する。
【００９８】
発光部３１は、相異なる色光を発する複数の光源として、Ｒ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を用い、これらを図７の紙面右側から左側へ順次ＲＧＢの色順に配列している。ＭＬＡ１のあるレンズ１Ａに着目した場合、ＲＧＢ各光源から出射した光の角度分布は、図８に示すようになる。図８から分かるように、ＲＧＢ各光源から出射した光は主光線角度が異なるため、レンズ１Ａを通過した後、それぞれ異なる位置に集光することになる。つまり、ＲＧＢ各光源から出射した光はレンズ１Ａのレンズ面を通過した後、それぞれＰｒ、Ｐｇ、Ｐｂの位置に集光することになる。ただし、集光した時点でのＲＧＢ各光線の角度分布はそれぞれ異なる分布を持っている。
【００９９】
ＭＬＡ２は、Ｐｒ、Ｐｇ、Ｐｂが、レンズ２Ａの焦点と一致するように配置する。本実施の形態２の特徴点は、上記の配置により、ＲＧＢ各光に対応するＭＬＡ２の各レンズ２Ａが、焦点（Ｐｒ、Ｐｇ、Ｐｂ）を通過してきた光を受けることになるため、ＭＬＡ２を通過すると、全て平行光に変換される点である。ただし、実際にはＲＧＢ各光源の発光点が有限であるため、ＭＬＡ２の焦点のみに集光させることはできず、有限の点像として集光するため、ＭＬＡ２を通過した後は完全な平行光にはならい。
【０１００】
なお、ＭＬＡ２のレンズ２Ａの数は、ＭＬＡ１のレンズ１Ａの数に対して３倍となる。
【０１０１】
ここで、本実施の形態２では、ローカルディミング駆動による低消費電力化に対応できるように、発光部３１とフレネルレンズ３９とを複数配置することが好ましい。この場合、発光部３１とフレネルレンズ３９とは、１対１の関係となるように配置される。また、発光部３１からの光が、それに対応するフレネルレンズ３９だけでなく、隣接するフレネルレンズ３９に入射してしまうと大きく角度がずれてしまい、迷光が発生することになる。そこで、隣接するフレネルレンズ３９間に遮光する手段を設けることが好ましい。これにより、迷光の発生を抑制し、表示品位の低下を防ぐことができる。
【０１０２】
また、実施の形態２に類似する形態として、図７のバックライトシステムにおいて、図６の光源装置を適用しても良い。つまり、発光部３１に白色光源３３１と導光体３３２を用い、かつ、回折格子３３３のような光分離素子を設ける構成である。この構成では、ＭＬＡ１に対して、角度によってそれぞれ異なる色光を照射させることが可能となる。これにより、発光部３１とフレネルレンズ３９を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
実施の形態１，２に示したように、本発明の液晶表示装置では、ＲＧＢ各光源（ＬＥＤ）から出射した光が、それぞれ、ＭＬＡ２を通過した後、空間的に互いに異なる位置でほぼ平行光（液晶パネル３７の表示面に対してほぼ垂直な光）に変換されて液晶パネルを照射する構成を有する。そして、液晶パネルのＲＧＢ各絵素とＭＬＡ２の各レンズ２Ａを１対１に対応させることによって、ＲＧＢ各光源から出射した光を液晶パネルのＲＧＢ各絵素に照射させることが可能となる。
【０１０４】
これにより、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を行うことが可能となり、カラーフィルタに吸収される分だけ光利用効率を向上させることができる。また、このとき、ほぼ平行光を液晶パネルに照射するため、絵素間に設けられるＢＭ（ブラックマトリクス）に遮光される割合を低下させることができ、その分光利用効率が向上させることができる。また、ＭＬＡ２を通過した後、ほぼ平行光が液晶パネルを照射するため、解像感を向上させることができる。
【０１０５】
さらに、ほぼ平行光の状態で液晶パネルを通過した後に拡散板に到達するため、ＲＧＢ各色の拡散光の角度分布が等しくなる。このため、観察者が異なる方向から液晶表示装置を見ても、方向によって異なった色に見えたりすることがなく、色再現性が良好となる。
【０１０６】
ここで、レンズの表面形状により光路を偏向する場合には、レンズ表面における界面での屈折率差を利用してスネルの法則に従い偏向する。一方、屈折率分布により光路を偏向する場合には、レンズ中の屈折率に分布を持たせることによって光を偏向する。
【０１０７】
これは、レンズの中心部と周辺部との屈折率を変化させることによって、レンズ内部に屈折率の勾配をつけ、この屈折率の勾配によって光を偏向していくというものである。また屈折率分布により光路を偏向する場合には、表面形状は平坦となっているため、マイクロレンズアレイ上に直接、偏光子や光学フィルム等を貼り合せすることが可能となり、それらとの空間保持が容易となる。すなわち、本発明のバックライトシステムでは、結像光学系に含まれる第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１）、第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２）が、表面形状により光路を偏向する、または屈折率分布により光路を偏向するレンズを含んで構成されている。
【０１０８】
また、結像光学系に含まれるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）の好適形態としては、例えば図９に示すように、レンズを直交二方向に配列したフライアイレンズ５６、またはマイクロシリンドリカルレンズをその長手方向に直行する一方向に配列したレンティキュラレンズ５７、またはこれらを組み合わせたものが挙げられる。第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１）が複数のマイクロレンズで形成される場合、１枚のマイクロレンズの場合に比べて表面形状の曲率を抑えることが可能となる。曲率を抑えることにより、迷光の発生を抑制することができる。これは第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２）においても同様である。
【０１０９】
マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）を構成するレンズ１Ａ、２Ａの表面形状の好適形態としては、レンズ面の曲率半径がレンズ１Ａでは０．５〜２ｍｍのものを、レンズ２Ａでは０．０５〜０．２ｍｍのものを、用いることである。曲率半径は、発光部３１からマイクロレンズ面までの距離、マイクロレンズ面から絵素までの距離、マイクロレンズアレイの屈折率、液晶層での集光範囲条件、により決定されるため、使用する光源サイズ、液晶パネル、要求されるバックライト部の厚さによって最適な曲率を持つ表面形状を用いることが必要である。また、表面形状は集光作用を持たせるために凸面となる。また、レンズ面は球面だけでなく、収差を抑制する目的として非球面形状であってもよい。なお、レンズ１Ａ、２Ａの表面形状は互いに凸面を１面ずつあってもよし、それぞれ両面が凸面であってもかまわない。ただし、レンズ１Ａ、２Ａにおいて対向する側にそれぞれ凸面がある場合、ＭＬＡ１、ＭＬＡ２との間を粘着材等の貼り合わせを行うことができないため、配置関係がずれないように保持する必要がある。
【０１１０】
ここで、複数の発光部からの光の空間的分離を最良に行うには、複数の発光部の配列方向は、次のようにとるとよい。
（Ａ）マイクロレンズアレイとしてフライアイレンズ５６を単独で用いる場合、複数の発光部の配列方向は、マイクロレンズの配列方向とした縦横の直交二方向（図９の（ａ）のＡ方向、Ｂ方向）のいずれか一方に直交する方向にとる。
（Ｂ）マイクロレンズアレイとしてレンティキュラレンズ５７を単独でもしくはフライアイレンズ５６と組み合わせて用いる場合、複数の発光部の配列方向は、マイクロシリンドリカルレンズの長手方向（図９の（Ｂ）のＣ方向）に直交する方向にとる。
【０１１１】
ここで、例えば、表示画面全体において、かなりの広さの一領域と残りの領域とで輝度の差が大きい画像を表示するような場合、画面全体を複数のブロックに分けることにより、輝度や色の制御が容易となる。この形態の一例として、発光部（光源アレイ）およびマイクロレンズアレイを複数のブロックに分け、各ブロック内の光源アレイからの光がいずれも同ブロック内のマイクロレンズアレイに少なくともほぼ等しく入射するように、光源の光軸を回転させた構成とすることが好ましい。
【０１１２】
この形態の１例を図１０に示す。図１０ではＲ光源について、同じブロック内の３つの光源（Ａ，Ｂ，Ｃ）から出射された光がいずれも同ブロック内のマイクロレンズアレイ（レンズ１Ａ）にほぼ等しく入射するように、両側の２つの光源（Ａ，Ｃ）の光源光軸３１Ｍを各自の実効発光点Ｓの周りに矢印３１Ｐ，３１Ｑ方向に回転させた状態を図示したが、Ｇ光源、Ｂ光源についても同様である。
【０１１３】
ところで、これまで述べてきたバックライトシステムにおいて、１つのバックライトシステムが照射する領域が広くなると、これに比例して発光部３１から絵素までの距離も長くなる。逆に言えば、１つのバックライトシステムが照射する領域を小さくし、１つの液晶パネルを複数のバックライトシステムで照射することにより、バックライトシステムの厚さを抑えることができるため、バックライトシステムの薄型化を図ることができる。
【０１１４】
これは、例えば図１１に示すように、バックライトシステムを１つのバックライトユニット５０とし、該バックライトユニット５０を複数並列に配置することで実現できる（複合バックライトシステム）。ただし、１つの液晶パネルに使用するバックライトユニットの数が多くなるほど、構成部材が増え、製造コストが高くなるため、薄型化とはトレードオフの関係にある。
【０１１５】
また、本発明のバックライトシステムは、１つの液晶パネル内の相異なる箇所の明るさを容易に変更できるように、バックライトユニットの１ユニットごと、または複数ユニットごとに、光源の光量を制御する手段（図示しない）を有することが好ましい。この構成により、例えば夜空に浮かぶ月のような一部が明るく、その他の部分は暗い領域を表示する場合に、暗い領域部に該当するバックライトユニットの光量を低くすることにより低消費電力化に大きな寄与を及ぼすことが可能となる。
【０１１６】
また、複数のバックライトユニットを並列した形態では、製造コスト低減、および位置合わせ工程節減の観点から、構成要素に用いる各種光学部品、例えば、結像光学系に含まれるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２）、フレネルレンズ３９、の少なくともいずれか１種は、複数ユニット分を、ユニットごとに個別とするのではなく、複数のユニット間にわたる一体化した光学部品とすることが好ましい。図１１の(c)は、ＭＬＡ１、およびＭＬＡ２を複数のバックライトユニット５０間にわたる一体物とした場合を示している。
【０１１７】
図１１に示すバックライトシステムの理想形態は、一体化する光学部品を液晶パネルと同じ大きさにすることであるが、実際の製造に際しては、製造コスト、部品組み立て工数等をも勘案し、最適と判断される一体化形態を採用すればよい。
【０１１８】
また、図１１に示すバックライトシステムでは、例えばフレネルレンズ３９を有する形態において、複数のバックライトユニット５０の一つ（仮にユニットＵ１とする）の光源から出射された光（例えばＲ光）が、隣のバックライトユニット５０（仮にユニットＵ２とする）のフレネルレンズ３９に入射して反射すると、その光はほぼ平行光の方向（本来、ユニットＵ２のフレネルレンズ３９が、入射してきた光を偏向させたい方向）から大きくはずれ、迷光となり、最終的には異なる主波長の光（例えばＧ光またはＢ光）が絵素へ到達し、表示品位の低下を招く。
【０１１９】
この問題を解消するために、例えば図１１の（ｄ）に示すように、複数並列したバックライトユニット５０の隣り合うバックライトユニット５０間に、隣り合う両バックライトユニット５０のいずれか一方の光源３１からの光が他方に入るのを防止する手段（遮光板）５３を設けることが好ましい。
【０１２０】
本発明のバックライトシステムを有する液晶表示装置は、図１および図７に示すように、光入射側から、”偏光子３２／入射側ガラス基板３３／液晶層３４／駆動素子／出射側ガラス基板３５／検光子３６／拡散板３８”の順に積層配置される。これにより、発光部３１から出射された光は、ＭＬＡ１、ＭＬＡ２を通過し、偏光子３２、入射側ガラス基板３３を通って液晶層３４の絵素に集光した後、出射側ガラス基板３５、検光子３６を経て、拡散板３８で拡散されて外界に出射される。なお、駆動素子は液晶層３４の画素間の境界部に配置され、各画素を通る光には影響しない。
【０１２１】
また、図１および図７に示す液晶表示装置の構成において、液晶層３４から光の入射側への部品積層順を、”液晶層３４／入射側ガラス基板３３／偏光子３２”に代えて、”液晶層３４／偏光子３２／入射側ガラス基板３３”としてもよい。このように、偏光子３２を液晶層３４と入射側ガラス基板３３との間に配置することにより、入射側ガラス基板３３にＭＬＡ２を直接形成することが可能となり、ＭＬＡ２と液晶層３４との位置合わせを高い精度により保持することが可能となる。また、上記の配置により、ＭＬＡ２によって集光した光を高い偏光性を保持したまま液晶層３４に通光させることができるため、表示品位の低下を防ぐ効果も得られる。
【０１２２】
また、図１および図７に示す液晶表示装置の構成において、液晶層３４から光の出射側への部品積層順を、”液晶層３４／駆動素子／出射側ガラス基板３５／検光子３６／拡散板３８”に代えて、”液晶層３４／駆動素子／検光子３６／出射側ガラス基板３５／拡散板３８”としてもよい。このように、検光子３６を出射側ガラス基板３５と液晶層３４との間に配置することにより、液晶パネル製造時に検光子３６を内蔵させることが可能となるため、液晶パネルと検光子との貼り合わせプロセスを省略することができる。
【０１２３】
また、図１および図７に示す液晶表示装置の構成において、液晶層３４から検光子３６までの間に出射側ガラス基板３５が介在するため、この出射側ガラス基板３５の厚さによっては隣接する絵素を通過した光が検光子３６に到達した際、互いに重なり合う場合が生じ、この重なり合った光が拡散板３８で拡散されると、表示品位の低下を招くことが懸念される。
【０１２４】
これを防ぐために、図１および図７に示す液晶表示装置の構成において、液晶層３４から光の出射側への部品積層順を、”液晶層３４／駆動素子／出射側ガラス基板３５／検光子３６／拡散板３８”に代えて、”液晶層３４／駆動素子／検光子３６／拡散板３８／出射側ガラス基板３５”とすることが好ましい。
【０１２５】
また、拡散板３８として、偏光保持機能を有する拡散板（例えば、内部の屈折率境界における全反射によって拡散を行う素子）を用いる場合は、上記の液晶表示装置において、さらに、駆動素子と出射側ガラス基板３５との間に、上記偏光保持機能を有する拡散板を備える形態としてもよい。
【０１２６】
また、液晶層３４から光の出射側への部品積層順を、“液晶層３４／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散板／出射側ガラス基板３５／検光子３６”に代えて、“液晶層３４／駆動素子／偏光保持機能を有する拡散板／検光子３６／出射側ガラス基板３５”、もしくは、“液晶層３４／駆動素子／出射側ガラス基板３５／偏光保持機能を有する拡散板／検光子３６”としてもよい。
【０１２７】
また、拡散板３８、および偏光保持機能を有する拡散板が、さらに、入射角無依存拡散特性（拡散板への入射光の入射角によらず拡散板を透過する際の拡散強度分布が一定となる性質）を有する場合、液晶表示画素を色別に空間分割する絵素の各々を通過した光が同じ拡散特性となるため、表示品位の向上が見込めるのでより好ましい。
【０１２８】
また、本液晶表示装置において、偏光子３２を、バックライトシステムにおける結像光学系の第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１）と第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ２）との間に配置した構成とすることもできる。この構成によれば、ＭＬＡ２を、液晶素子との位置合わせ工程を含む液晶素子製造プロセスの中で製造できるので、結像光学系を液晶素子とを別個に製造した場合に必要になる製造後の液晶表示装置（液晶パネル）との位置合わせが不要になるという利点がある。
【０１２９】
また、本液晶表示装置において、バックライトシステムにおける結像光学系を、偏光子３２と入射側ガラス基板３３との間に配置した構成とすることもできる。この構成によれば、結像光学系を、液晶素子との位置合わせ工程を含む液晶素子製造プロセスの中で製造できるので、結像光学系を液晶素子とを別個に製造した場合に必要になる製造後の液晶表示装置（液晶パネル）との位置合わせが不要であるという利点がある。
【０１３０】
また、第１のマイクロレンズアレイを偏光子の保護フィルム上に直接製造することが可能となり、光学部品点数の削減が可能となる。
【０１３１】
この構成の液晶表示装置の製造方法において、ガラス基板上にフライアイレンズ５６を形成する工程について説明する。
【０１３２】
まず、ガラス基板上に紫外線硬化樹脂をスピンコート法やディッピング法にて塗布する。次に、この塗布した面に、所定の間隔で、平行に対面する仮想平面内に、遮光マスクを配置する。このとき、遮光マスクは、フライアイレンズ５６を形成したい箇所に、開口部を通して紫外線が照射されるように、配置するのが好ましい。また、遮光マスクは露光用光源とガラス基板との間に配置するのが好ましい。この配置状態で、露光用光源から紫外線を遮光マスクへ照射することで、ガラス基板上に塗布した紫外線硬化樹脂の一部が露光される。続いて、未露光の紫外線硬化樹脂を現像して除去することにより、フライアイレンズ５６が形成される。
【０１３３】
なお、フライアイレンズ５６に代えてレンティキュラレンズ５７を用いてもよく、レンティキュラレンズ５７を形成する場合でも、同様の工程が適用できる。
【０１３４】
また、紫外線硬化樹脂は、好ましくは偏光状態を変化させない樹脂を用いるのがよい。というのも、ガラス基板上に紫外線硬化樹脂を形成するため、偏光子と検光子との間に結像光学系を形成することになり、この結像光学系にて偏光状態が変化してしまうと、表示品位の低下を招くからである。
【０１３５】
なお、本液晶表示装置において、液晶層３４と駆動素子とが互いの積層位置を交換し合っても、表示性能に変わりはない。よって、本液晶表示装置において、液晶素子と駆動素子とが積層位置を互換された液晶表示装置も、本発明の範囲に含まれる。
【０１３６】
以上のように、本発明のバックライトシステムは、
相異なる主波長の光を発する発光部と、該発光部から出射された光を集光させる結像光学系とを有し、該結像光学系を通過した光を液晶パネルに照射させるバックライトシステムであって、
前記液晶パネルは、所定のピッチで配列された複数の画素を含み、各画素が、色ごとに対応する複数の絵素を含んで構成されており、
前記結像光学系は、第１のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第１のレンズアレイと、第２のレンズが所定のピッチで複数配列されてなる第２のレンズアレイとを有し、
前記第１のレンズは、前記発光部から出射された光を色別に分離するとともに、分離した光を絵素の配列ピッチと同じピッチで集光させ、
前記第２のレンズは、絵素と１対１で設けられ、前記第１のレンズを通過した光が集光する位置と、当該第２のレンズの焦点とが互いに一致するように配置されるとともに、前記第１のレンズを通過した光を、互いにほぼ平行な方向（液晶パネル３７の表示面に対してほぼ垂直な方向）に偏向させて前記液晶パネルに照射させることを特徴としている。
【０１３７】
また、本発明のバックライトシステムは、以下のように表すこともできる。
【０１３８】
すなわち、本バックライトシステムは、相異なる主波長の光を発する発光部と、該発光部から出射された光を、画素アレイ面上に所定のピッチで配列された複数の画素の各々をさらに色別に空間分割した絵素の各々に集光させる結像光学系とを有し、
前記結像光学系は、前記発光部から出射された光を、同色に対応する絵素の配列ピッチと同じピッチに色別に分離して集光させる第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイを通過した光を、ほぼ平行な方向に偏向させる第２のレンズアレイとを有し、
前記第２のレンズアレイは、画素アレイ面上に配列された絵素と同じ個数だけ設けられるとともに、前記第１のレンズアレイを通過した光が集光する位置と、当該第２のレンズアレイの焦点とが一致するように配置されている。
【０１３９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明は、バックライトを備えた液晶表示装置などに適用することができる。
【符号の説明】
【０１４１】
１０，２０  液晶表示装置
３０，４０  バックライトシステム
３１  発光部（光源アレイ）
３２  偏光子
３３  入射側ガラス基板
３４  液晶層
３５  出射側ガラス基板
３６  検光子
３７  液晶パネル
３８  拡散板
３９  フレネルレンズ
ＭＬＡ１  第１のマイクロレンズアレイ
ＭＬＡ２  第２のマイクロレンズアレイ
１Ａ  レンズ（第１のマイクロレンズ）
２Ａ  レンズ（第２のマイクロレンズ）
５０  バックライトユニット
５６  フライアイレンズ
５７  レンティキュラレンズ
【図１】
2011135755.tif 000003
【図２】
2011135755.tif 000004
【図３】
2011135755.tif 000005
【図４】
2011135755.tif 000006
【図５】
2011135755.tif 000007
【図６】
2011135755.tif 000008
【図７】
2011135755.tif 000009
【図８】
2011135755.tif 000010
【図９】
2011135755.tif 000011
【図１０】
2011135755.tif 000012
【図１１】
2011135755.tif 000013
【図１２】
2011135755.tif 000014
【国際調査報告】
2011135755.tif 000015
2011135755.tif 000016
2011135755.tif 000017
2011135755.tif 000018
2011135755.tif 000019
2011135755.tif 000020